CN109616764A - 基片集成间隙波导圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明基片集成间隙波导（SIGW）圆极化天线，采用三块介质板构成基片集成间隙波导天线；SIGW由三层介质板构成：有电磁带隙的底层介质板、有金属覆层的上层介质板以及分隔上下两层介质板的中间层介质板（间隙）。在SIGW的上层介质板的金属层上蚀刻了一个矩形金属缝隙，采用延伸到矩形缝隙下方的微带线激励矩形缝隙产生圆极化辐射，形成SIGW圆极化天线。本发明基片集成间隙波导圆极化天线具有结构简单，抗干扰能力强，易加工，易集成，带宽较宽等优点，能用做5G毫米波通信系统天线。
Description
技术领域
本发明属于无线通信天线，涉及基于PCB的基片集成间隙波导圆极化天线。
背景技术
圆极化天线由于其具有良好的兼容性，并具有良好的抗干扰能力被广泛运用于导航卫星、雷达和移动通信等多个不同的场景中。到目前为止，在毫米波段工作的圆极化天线已有很多报道。这些天线可大致分为微带圆极化天线、金属矩形波导（RW）圆极化天线和基片集成波导（SIW）圆极化天线。但是，面对毫米波段运用，传统的圆极化天线存在一些问题，比如纯金属的结构在毫米波段难以制造，基片集成波导（SIW）的电磁屏蔽性能不强、结构复杂。
近年来，基片集成间隙波导（SIGW）传输线被提出，该传输线基于多层PCB来实现,分为带脊的SIGW和微带SIGW两种结构。带脊的SIGW一般由两层PCB构成，上层PCB外侧表面全敷铜构成理想电导体（PEC），下层PCB上印刷有微带线，微带线上带有一系列金属化过孔与下方金属地相连形成一种类似脊的的结构，微带线两侧是周期性的蘑菇结构以形成理想磁导体（PMC）。由于PEC与PMC间形成EBG，电磁波（准TEM波）只能沿着微带线传播。但是，由于带脊的SIGW中微带脊与蘑菇结构处于同一层PCB板上，所以其微带脊会受到蘑菇结构的制约而不方便走线，在实际应用中存在局限性。
微带SIGW由三层PCB板构成。上层PCB板的外侧全覆铜形成PEC，内侧则印刷微带线，底层PCB板上全部印制蘑菇状周期结构以构成PMC，在上层和底层间插入一块空白介质板（中间层）来隔断上层和底层。由于有中间层的隔断，微带线布局灵活，不必担心受到周期结构制约。当这种SIGW工作时，准TEM波会沿着微带线在微带线与PEC之间的介质基板内传播，这种工作模式和介质埋藏的微带线十分类似。同样地，PEC与PMC之间会产生EBG以阻止波在其他方向上的传播，以保证沿微带线的准TEM波的传播。
本发明基片集成间隙波导的圆极化天线，采用微带SIGW技术设计圆极化天线，解决现有的基于PCB技术设计的圆极化天线结构复杂、电磁屏蔽性能不强的缺点。
本发明内容，经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。
发明内容
本发明的目的是提出基片集成间隙波导的圆极化天线，用以克服现有的圆极化天线结构复杂、电磁屏蔽性能不强等缺点，能应用于5G毫米波通信系统的工作波段。
本发明基片集成间隙波导圆极化天线，其特征在于，包括三层介质板：上层介质板（1），中间层介质板（2），下层介质板（3），其中：
a. 上层介质板（1）的上表面印刷有第一敷铜层（9）；第一敷铜层（9）上蚀刻有矩形缝隙（8），下表面印刷有馈电微带线（6）；馈电微带线（6）延伸到矩形缝隙下方；
b. 下层介质板（3）上表面的圆形贴片（10），下表面印刷有第二敷铜层（4）；下层介质板（3）上打有金属过孔（5），与上表面的圆形贴片（10）一起组成电磁带隙（EBG）结构阵列；
c.中间层介质板（2）分隔上层介质板（1）和下层介质板（3），使上层介质板（1）和下层介质板（3）之间形成间隙；
d. 上层介质板（1），中间层介质板（2），下层介质板（3）粘合在一起，形成一个整体；
e. 上层介质板（1）上的第一敷铜层（9）为理想电导体（PEC），下层介质板（3）相当于理想磁导体（PMC）；
f.上层介质板（1），中间层介质板（2），下层介质板（3），印刷在上层介质板上的第一敷铜层（9）和馈电微带线（6），制作在下层介质板上的蘑菇状EBG阵列结构，以及印刷在下层介质板上的第二敷铜层（4）构成基片集成间隙波导(SIGW)结构。
所述基片集成间隙波导圆极化天线，其特征在于：在基片集成间隙波导的上层介质板（1）的第一敷铜层（9）上开矩形缝隙（8）并延伸馈电微带线到矩形缝隙（8）下方，且矩形缝隙（8）与馈电微带线（6）有一45°夹角。
所述基片集成间隙波导圆极化天线，上层介质板（1）下表面的馈电微带线（6）延伸到矩形缝隙（8）下方，激励该缝隙产生辐射；馈电微带线（6）延伸到缝隙中间位置时，可以获得较佳的回波损耗和轴比；当缝隙（8）长宽比值固定，加长或缩短馈电微带线（6）长度时，回波损耗变化较大，但轴比变化较小。
所述基片集成间隙波导圆极化天线，矩形缝隙（8）与馈电微带线（6）间成45°夹角，产生两个正交电场分量，形成圆极化电磁波。
所述基片集成间隙波导圆极化天线，为了获得所需的工作频带，需要合适地选取蘑菇状EBG结构中圆形贴片（5）和金属过孔（10）的尺寸以及蘑菇状EBG结构的周期，使EBG结构的阻带与基片集成间隙波导（SIGW）所传播的电磁波频带相适应。
所述基片集成间隙波导圆极化天线，当宽边和长边的比值为 0.75时，可以获得较佳的轴比结果；当缝隙（8）的长边值固定时，缝隙（8）的宽边和长边的值升高时，最小轴比所在的频点向低频端移动，带内轴比升高；当缝隙（8）的宽边和长边的值降低时，最小轴比所在频点向高频端移动，带内轴比也会升高。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、结构简单；
2、带宽较宽；
3、电磁屏蔽性能强；
4、易与其他平面电路集成。
附图说明
图1为本发明基片集成间隙波导圆极化天线结构示意图。
图2为本发明基片集成间隙波导圆极化天线上层介质板（1）上表面示意图。
图3为本发明基片集成间隙波导圆极化天线上层介质板（1）下表面示意图。
图4为本发明基片集成间隙波导圆极化天线下层介质板（1）上表面示意图。
图5为本发明基片集成间隙波导圆极化天线下层介质板（1）下表面示意图。
图6为本发明基片集成间隙波导圆极化天线的回波损耗、轴比和增益。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
如附图1所示，本发明的目的是提出基片集成间隙波导的圆极化天线，本发明基片集成间隙波导圆极化天线，其特征在于，包括三层介质板：上层介质板（1），中间层介质板（2），下层介质板（3），其中：
a. 上层介质板（1）的上表面印刷有第一敷铜层（9）；第一敷铜层（9）上蚀刻有矩形缝隙（8），下表面印刷有馈电微带线（6）；馈电微带线（6）延伸到矩形缝隙下方；
b. 下层介质板（3）上表面的圆形贴片，下表面印刷有第二敷铜层（4）；下层介质板（3）上打有金属过孔（5），与上表面的圆形贴片（10）一起组成电磁带隙（EBG）结构阵列；
c.中间层介质板（2）分隔上层介质板（1）和下层介质板（3），使上层介质板（1）和下层介质板（3）之间形成间隙；
d. 上层介质板（1），中间层介质板（2），下层介质板（3）粘合在一起，形成一个整体；
e. 上层介质板（1）上的第一敷铜层（9）为理想电导体（PEC），下层介质板（3）相当于理想磁导体（PMC）；
f.上层介质板（1），中间层介质板（2），下层介质板（3），印刷在上层介质板上的第一敷铜层（9）和馈电微带线（6），制作在下层介质板上的蘑菇状EBG阵列结构，以及印刷在下层介质板上的第二敷铜层（4）构成基片集成间隙波导(SIGW)结构。
所述基片集成间隙波导圆极化天线，其特征在于：在基片集成间隙波导的上层介质板（1）的第一敷铜层（9）上开矩形缝隙（8）并延伸馈电微带线到矩形缝隙（8）下方，且矩形缝隙（8）与馈电微带线（6）有一45°夹角。
所述基片集成间隙波导圆极化天线，上层介质板（1）下表面的馈电微带线（6）延伸到矩形缝隙（8）下方，激励该缝隙产生辐射；馈电微带线（6）延伸到缝隙中间位置时，可以获得较佳的回波损耗和轴比；当缝隙（8）长宽比值固定，加长或缩短馈电微带线（6）长度时，回波损耗变化较大，但轴比变化较小。
所述基片集成间隙波导圆极化天线，矩形缝隙（8）与馈电微带线（6）间成45°夹角，产生两个正交电场分量，形成圆极化电磁波。
所述基片集成间隙波导圆极化天线，当宽边和长边的比值为 0.75时，可以获得较佳的轴比结果；当缝隙（8）的长边值固定时，缝隙（8）的宽边和长边的值升高时，最小轴比所在的频点向低频端移动，带内轴比升高；当缝隙（8）的宽边和长边的值降低时，最小轴比所在频点向高频端移动，带内轴比也会升高。
进一步地，为了说明上述方案的可行性，下面给出一个具体实例。该实例中，上层介质板（1）上的矩形缝隙（8）宽边和长边的比例取值为 0.75时能够获得较好的增益和匹配效果；上层介质板（1）上的矩形缝隙（8）与馈电微带线（6）有一45°夹角，产生圆极化所需的两个正交电场分量;下层介质板（3）上的的蘑菇状EBG结构为6×7阵列。该实例中，上层介质板（1）和中间层介质板（2）均采用Rogers5880板材，厚度分别为0.508mm和0.254mm，下层PCB板为Rogers 4003C，厚度为0.813mm；仿真及测试结果表明，该天线的-10dB阻抗带宽为24.8—31.7GHz，3dB轴比带宽为27.3—28.8 GHz（约5.3%），增益在28GHz处约为6dBi。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (6)
1.基片集成间隙波导圆极化天线，其特征在于，包括三层介质板：上层介质板（1），中间层介质板（2），下层介质板（3），其中：
a. 上层介质板（1）的上表面印刷有第一敷铜层（9）；第一敷铜层（9）上蚀刻有矩形缝隙（8），下表面印刷有馈电微带线（6）；馈电微带线（6）延伸到矩形缝隙下方；
b. 下层介质板（3）上表面的圆形贴片，下表面印刷有第二敷铜层（4）；下层介质板（3）上打有金属过孔（5），与上表面的圆形贴片（10）一起组成电磁带隙（EBG）结构阵列；
c. 中间层介质板（2）分隔上层介质板（1）和下层介质板（3），使上层介质板（1）和下层介质板（3）之间形成间隙；
d. 上层介质板（1），中间层介质板（2），下层介质板（3）粘合在一起，形成一个整体；
e. 上层介质板（1）上的第一敷铜层（9）为理想电导体（PEC），下层介质板（3）相当于理想磁导体（PMC）；
f. 上层介质板（1），中间层介质板（2），下层介质板（3），印刷在上层介质板上的第一敷铜层（9）和馈电微带线（6），制作在下层介质板上的蘑菇状EBG阵列结构，以及印刷在下层介质板上的第二敷铜层（4）构成基片集成间隙波导(SIGW)结构。
2.根据权利要求1所述的基片集成间隙波导圆极化天线，其特征在于：在基片集成间隙波导的上层介质板（1）的第一敷铜层（9）上开矩形缝隙（8）并延伸馈电微带线到矩形缝隙（8）下方，且矩形缝隙（8）与馈电微带线（6）有一45°夹角。
3.根据权利要求1所述的基片集成间隙波导圆极化天线，其特征在于：上层介质板（1）下表面的馈电微带线（6）延伸到矩形缝隙（8）下方，激励该缝隙产生辐射；馈电微带线（6）延伸到缝隙中间位置时，可以获得较佳的回波损耗和轴比；当缝隙（8）长宽比值固定，加长或缩短馈电微带线（6）长度时，回波损耗变化较大，但轴比变化较小。
4.根据权利要求1所述的基片集成间隙波导圆极化天线，其特征在于：矩形缝隙（8）与馈电微带线（6）间成45°夹角，产生两个正交电场分量，形成圆极化电磁波。
5.根据权利要求1所述的基片集成间隙波导圆极化天线，其特征在于：为了获得所需的工作频带，需要合适地选取蘑菇状EBG结构中圆形贴片（10）和金属过孔（5）的尺寸以及蘑菇状EBG结构的周期，使EBG结构的阻带与基片集成间隙波导（SIGW）所传播的电磁波频带相适应。
6.根据权利要求1所述的基片集成间隙波导圆极化天线，其特征在于：当宽边和长边的比值为 0.75时，可以获得较佳的轴比结果；当缝隙（8）的长边值固定时，缝隙（8）的宽边和长边的值升高时，最小轴比所在的频点向低频端移动，带内轴比升高；当缝隙（8）的宽边和长边的值降低时，最小轴比所在频点向高频端移动，带内轴比也会升高。
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